第十四章-固体干燥

第十四章固体干燥（Drying）14.1.1固体去湿方法和干燥过程去湿方法从物料中脱除湿分的过程称为去湿。吸附去湿：加干燥剂：如加石灰、无 水CaCl2、硅胶等。只能 用于小批量去湿。机械去湿：挤压、过滤供热干燥：向物料供热以汽化其中的 水分。湿分不仅指水分！14.1概述（General）干燥分类传导干燥：热传导，间接干燥辐射干燥：电磁波（红外线）介电干燥：高频电场交变（微波）对流干燥：对流传热热能利用较好；物料易局部过热冷冻干燥：固体升华生产能力强，干燥产物均匀；能耗大干燥迅速，产品均匀而洁净；成本高

产品的含水量均匀；热利用率低tθ干燥介质（空气）：载热体、载湿体干燥过程：物料的去湿（水）过程介质的降温增湿过程固体干燥介质p水汽piQN对流干燥过程干燥介质

Q湿物料表面

湿物料内部（pi>p水汽）湿物料内部湿分湿物料表面

干燥介质

传热过程：Q湿分水分空气对流干燥是热、质反向传递过程（t>θi）传质过程：干燥器预热器空气废气14.1.2对流干燥流程及经济性湿物料干燥产品提高干燥过程的经济性用机械方法除去大量水分，比较经济

废气带走热量较多、设备热损失、物料升温热等不可避免的能耗，应尽量降低这些能耗。14.2

干燥静力学（StaticsofDrying）一、空气状态参数（2）水气分压

p水气（pW）（1）露点

td总压P一定时，露点温度下水的饱和蒸汽压湿空气等压等湿降温，结露时（达到饱和）的温度总压P及湿度一定时，p水气=f(td)

，查饱和水蒸气表14.2.1湿空气的状态参数（以干基为准）（3）空气的湿度（湿含量）H

（humidity）

每kg绝干空气所带有的水汽质量，（kg水

/kg干气）空气总压（4）相对湿度

（relativehumidity）当pS

≤P时，当pS

＞P时，同温度饱和水蒸汽压空气总压P一定，t一定，p水汽（pW）与可能的最大值之比

越小，表明空气距饱和状态越远，接纳水分能力越大；=1，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。相对湿度代表湿空气的不饱和程度；（6）湿球温度

tW

（wettemperature）P222湿球温度计测得的温度。tw水分空气不饱和水向空气主体传递汽化需要热量水自身降温空气向水传递热量湿球温度（5）干球温度

t空气的真实温度干球温度在一定的总压下，测定t、tw能确定H，并t＞tW对于空气~水蒸气系统而言，气速＞5m/s时：气相传质系数tW下空气饱和湿度tW下水的气化热气体对流传热系数饱和湿空气，，t=tW。空气湿度（7）湿空气的焓

I每

kg绝干空气及其所带Hkg水汽所具有的焓。

cpg－干气比热容，空气1.01kJ/(kg℃)cpV－蒸气比热容，水汽1.88kJ/(kg℃)r0－0℃时水汽化热，2500kJ/kg湿比热容：空气-水系统：（kJ/kg干空气）（kJ/kg干空气）焓的基准状态：空气以0℃气体为基准， 水汽以0℃液体水为基准。（8）湿空气的比体积（湿比容）vH

每kg绝干空气及其所带的Hkg水汽所具有的总体积，又称湿比容。（m3/kg干气）常压：1kg干空气体积：

Hkg水汽体积：常压，t，H，湿空气比体积（湿比容）：（m3/kg干气）或空气t，H空气tas

，

Has水θ（9）绝热饱和温度tas：在绝热情况下，向空气中喷水，使空气达到饱和状态，出口空气饱和湿度为Has，此时的空气温度称为绝热饱和温度tas

对于空气—水系统，

tW与tas的比较：相同点：

都不是湿空气本身的温度，但又都与t和H有关；对空气—水系统，。不同点：①tW：大量空气少量水tas：大量水

少量空气②tW时，动态平衡，存在质、热传递tas时，静态平衡，没有质、热传递稳定t稳定t求：（1）湿度H； （2）露点温度td； （3）焓I； （4）将上述空气加热到100℃所需的热量。 质量流量为100kg干/h，以干气计； （5）送入预热器的体积流量为多少m3/h？例：总压p=1atm，相对湿度0.6，干球温度30℃。pd=pw=φps=0.6×4242=2545Pa 解：（1）p=1atm，t=30℃t=30℃查水蒸汽表Ps=4242Pa（2）查水蒸汽表得：td=21.4℃（4）预热器中加入的热量：（3）或者：（5）体积流量：二、湿度图焓-湿度图（I-H图）

P一定坐标轴五条线等湿线等焓线等温线等相对湿度线水蒸汽分压线

当P一定时，上述参数中只要确定两个独立变量即可确定空气状态。湿空气状态参数：空气-水系统I-H图（P238）H（kg水/kg干气）→00.15等湿线等焓线等温线水蒸汽分压线15kPa等相对湿度线100%20%5%100012040I（kJ/kg干气）→P=100kPaI-H图的使用等湿线H（kg水/kg干气）→00.15水蒸汽分压线等焓线等温线等相对湿度线100%

已知两个独立状态参数，在图中确定状态点；

已知图中状态点，能读出相应的状态参数（8个）。tw1、加热过程（间壁式加热器）湿度：H（ｐw）不变温度：由t1升至t2焓值：由I1升至I2经过加热器后，湿空气状态由A点变化到B点相对湿度：由降至湿空气相对湿度越低，接纳水分能力越强。100%14.2.2湿空气状态的变化过程（I—H图用法）

加热或冷却（至露点前）时，总压p和水汽分压pw不变，H不变，空气沿垂直线变化。2、冷却过程湿度：H（pw）不变温度：由t1降至t2焓值：由I1降至I2

由A点变化到C点相对湿度：由升至

由C点变化到D点100%

湿空气达到饱和，相对湿度为100%

，此时温度为露点温度td；

由D点变化到E点：部分水汽凝结析出，湿度降低3、绝热增湿过程（忽略热损失）温度：t

湿度：H

不饱和湿空气+喷少量水雾（水温低于空气）相对湿度：焓值：I降至t1

基本不变

升至H1

升至

100%

喷大量水雾，空气湿度可达饱和状态（Has）；

如果在等焓条件下达到饱和，此时的空气温度称作绝热饱和温度（tas）。绝热增湿过程接近等焓过程干球温度t，湿球温度tW，绝热饱和温度tas与露点td对空气-水系统：温度（干球温度）：t湿球温度：tW绝热饱和温度：tas露点温度：td100%不饱和空气：饱和空气：例1：已知湿空气的干球温度t=70℃，相对湿度=20%，求湿空气的湿度H，露点td，湿球温度tW100%kg水/kg干气20%4、利用I-H图查空气参数例2：已知干球温度t=60℃，湿球温度tW=45℃求：焓I；相对湿度φ

；湿度H；露点温度td100%kg水/kg干气φ=40%I=200kJ/kg5、两股气流的混合气流1：V1（kg干气/s），H1，I1气流2：V2（kg干气/s），H2，I2混合为气流3：V3（kg干气/s），H3，I3100%杠杆规则：（C点在A、B的连线上）V1H1I1V2H2I2V3H3I3

在总压100kPa下将温度为18℃、湿度为0.006kg/kg干气的新鲜空气与部分废气混合，然后将混合气加热，送入干燥器作为干燥介质使用。控制废气与新鲜空气的混合比例以使进干燥器时气体的湿度维持在0.065kg/kg干气。废气的排出温度为58℃，相对湿度70%。例14-2

空气状态变化过程的计算试求：（1）废气与新鲜空气的混合比 （2）混合气进预热器的温度解：（1）查表得t=58℃时饱和水蒸气压ps=18.2kPa，废气中的水汽分压为

因空气加热是等湿度过程，故以上计算中H即取进干燥器的气体湿度H3。废气湿度：

pw=φps=0.70×18.2=12.7kPa混合比：

V1H1+V2H2=（V1+V2）HV1I1+V2I2=(V1+V2)I（2）混合气温度：新鲜空气焓：废气的焓：混合气焓：

混合后C点的温度：由图上读出约为47

℃混合气温度：I=(1.01+1.88H)t+2500H图解法：A点：t=18℃H=0.006B点：t=58℃φ=70%C点：H=0.065量取线段AC、BC的长度混合比为：•A•BC•14.2.3水分在气固两相间的平衡1、结合水：以化学力或物理化学力与固体结合的水

2、非结合水：固体表面机械附着的水分形式：结晶水，毛细管水，溶解水特点：产生不正常低汽压，很难除去特点：饱和蒸汽压等于同温度纯水的饱和蒸汽压形式：表面附着水分，大空隙间水分

结合水与非结合水的划分取决于物料本身特性、水与物料结合的方式一、结合水与非结合水

根据物料中水分除去的难易来划分。二、物料湿含量1、

平衡水分在一定空气条件下干燥，物料中不能除去的水分X

*2、自由水分（自由含水量）在一定空气条件下干燥，物料中能够除去的水分（Xt－X*）影响X*的因素：物料性质，空气状态。t↑，

－干基含水量（kg水/kg绝干物料）每kg绝干物料所含水分质量三、平衡水分与自由水分X*↓；↓，X

*↓；=0，X

*=0

根据物料在一定干燥条件下所含水分能否用干燥方法除去来划分。结合水分与非结合水分，平衡水分与自由水分平衡水分一定是结合水分，非结合水分一定是自由水分；指定空气条件下干燥除去的水分，一定是自由水分。结合水非结合水平衡水分自由水分相对湿度对流干燥可除去水分平衡水分与自由水分的区分与空气状态有关； 而结合水与非结合水的区分与空气状态无关。课堂练习２．饱和湿空气在恒压下冷却，温度由t

降至t’，此时其相对湿度

，湿度

，湿球温度

，露点

。３．不饱和湿空气，干球温度

湿球温度，露点温度

湿球温度。

４．对不饱和湿空气进行加热，使温度由t1升至t2，此时其湿球温度

增大

，相对湿度

减小

，露点

不变

，湿度

不变

。１．已知湿空气的下列哪两个参数，利用I-H图可以查得其他未知参数(

)。

A(I，tW)

B(td，H)

C(p，H)

D(tW，t)５．在100kPa下，湿空气的温度为295K，相对湿度为

60%，当加热到373K时，下列状态参数将如何变化?湿度

，相对湿度

，湿球温度

，露点

，焓

。６．以空气作为湿物料的干燥介质，当所用空气的相对湿度较大时，湿物料的平衡水分相应

，自由水分相应

。↑↑较大较小不变不变↓７．对于被水蒸汽所饱和的空气，其干球温度t，湿球温度tW，绝热饱和温度tas，露点温度td的关系是：

t

tW

tas

td。＝＝＝８．指出相对湿度、绝热饱和温度、露点温度、湿球温度中，哪一个参量与空气的温度无关。(

)

A相对湿度B湿球温度

C绝热饱和温度D露点温度９．①如空气温度降低，其湿度肯定不变；②如空气温度升高，其湿度肯定不变。则正确的判断是：

A两种提法都对B两种提法都不对

C①对②不对D②对①不对10．若维持不饱和空气的湿度H不变，提高空气的干球温度，则空气的湿球温度

，露点

，相对湿度

。(变大，变小，不变，不确定)11．物料中的平衡水分随空气温度升高而(

)。

A增大；B减小；C不变；

D不一定，还与其它因素有关。12．实际干燥操作中，测定空气中的水汽分压的实验方法是测量

；用

来测量空气的湿度。干、湿球温度计露点↑不变↓B14.3干燥速率与干燥过程计算

（DringRateandCalculation）14.3.1物料在定态条件下的干燥速率干燥速率：(kg/m2.h)or(kg/m2.s)气固两相接触面积物料绝干质量因

dW=－GcdX故（14-18）单位时间、单位干燥面积上汽化的水分量一、干燥曲线和干燥速率曲线大量空气干燥少量物料（条件恒定）实验条件：NA恒速段AB段很短通常并入BC临界含水量降速段干燥时间τX物料表面温度θX1•0•θ1••twX'•ABCXc••预热段恒速段•DEX*θ2降速段平衡水分二、恒速干燥阶段①物料表面湿润，除去的均为非结合水分③物料表面温度恒定，等于湿球温度tW④空气传给物料的热量恰好等于水分汽化所需热量②

恒速段干燥速率由水的表面汽化速度控制，与物料种类无关恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段三、降速干燥阶段①物料表面出现“干区”，汽化表面减小；②汽化表面内移（内部迁移控制阶段）；③平衡蒸气压下降（结合水分）。四、临界含水量（临界水分）XC①恒速干燥阶段终了时的含水量；②是恒速段与降速段的分界点；③影响XC的因素：④XC通常由实验确定，可查有关手册；⑤XC对干燥过程影响：XC↑，干燥时间↑与物料本身结构有关（多孔性，XC↓）与物料分散程度有关（料层薄，XC↓）与恒速干燥速率有关（速率小，XC↓）五、干燥速率对物料性状的影响1、恒速阶段：物料表面温度不变，为湿球温度tw。 允许采用较高的气流温度，以提高干 燥速率和热的利用率；2、降速阶段：表面温度升高，应控制气体温度和 干燥速率，避免表面硬化、干裂、 变质等。（1）利用实验测定干燥速率：恒速段干燥速率

（2）利用对流传热系数：对流传热系数，经验公式计算（14-20）14.3.2间歇干燥过程的计算一、恒速阶段干燥时间τ1斜率：若：NANA恒总干燥时间：τ=τ1+τ2二、降速阶段干燥时间τ2计算NA是变量，即NA

=f(X)（14-31）14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算一、物料中含水量的表示方法（kg水/kg绝干物料）（kg水/kg湿物料）计算任务：干基含水量：湿基含水量：绝干物料量物料中水分量湿物料量物料中水分量产品量；空气用量；预热器加入热量；干燥器补充热量；空气出口状态参数除去的水分量；干基含水量与湿基含水量的换算关系：OR含水质量分数为0.5%的湿物料产品的含水量为0.05%湿物料的含水量为0.5kg水/(kg干物料)将湿物料由含水20%干燥至1%湿基湿基湿基干基二、物料衡算干燥器V－干空气流量（kg干空气/s）H1、H2－空气进、出干燥器的湿度（kg水/kg干空气）GC－绝干物料流量（kg干物料/s）X1、X2－物料进、出干燥器的干基含水量（kg水/kg干物料）G1、G2－进、出干燥器的湿物料流量（kg/s）w1、w2－物料进、出干燥器的湿基含水量（kg水/kg湿物料）干燥除去的水分量W（kg/s）物料失水空气得水物料失重干燥器空气用量绝干空气用量：（kg干空气/s）实际空气用量：（kg/s）干燥的产品量G2（kg/s）初始空气的湿度三、热量衡算干燥器预热器空气废气1、预热器热量衡算Qp－空气在预热器中获得的热量（kW）or（kJ/s）干燥产品(G2)V－干空气流量（kg干空气/s）V湿物料(G1)I0、I1－空气进、出预热器的焓（kJ/kg干空气）t0、t1－空气进、出预热器的温度（℃）空气经过预热器：故：2、干燥器的热量衡算Q损－干燥器中的热损失（kW）cpm－湿物料的比热容（kJ/kg干物料℃）绝干物料的比热容（kJ/kg干物料℃）液体的比热容—水：4.187干燥器预热器空气废气V四、理想干燥过程条件：①干燥器中无补充热量Q补=0；

②忽略干燥器向周围散失的热量Q损=0；③物料温度变化小，气体传给物料的热量全部 用于汽化水分故：理想干燥过程为等焓干燥过程

等焓过程空气状态的变化：等焓线

H

I，t

I

H，t

不变↑↑↓

不变↑↓↑A→B预热器B→C干燥器

五、实际干燥过程P252等焓线若：Q补＜GC（cpm2θ2-cpm1θ1）+Q损则：I'2＜I2

反之：I''

2＞I2

干燥器：H'2＜H2H''

2＞H2V''＜VV'＞VBD线BE线例14-5

在常压下将含水质量分数为5%的湿物料以1.58kg/s的速率送入干燥器，干燥产物的含水质量分数为0.5%。所用空气的温度为20℃、湿度为0.007kg/kg干气，预热温度为127℃，废气出口温度为82℃，设为理想干燥过程。试求：（1）空气用量V； （2）预热器的热负荷。解：（1）干燥除去的水分：另一种求法：绝对干物料的处理量为：进、出干燥器的干基含水量为：气体进干燥器的状态为：气体出干燥器的状态为：t2=82℃,I2=I1=147kJ/kg干气出口气体的湿度为：空气用量为：（2）预热器的热负荷为：注：处理量、湿物料的量多指G1

生产能力、产品量多指G2另一种求法：例：一常压连续干燥器，生产能力1000kg/h（以干燥产品计）；物料水分由12%降为3%（均为湿基），物料温度则由15℃上升到28℃，干物料比热容为1.3kJ/kg℃；空气初温25℃，湿度为0.01kg水/kg干空气，经预热器后升温到70℃，废气温度45℃。假设空气在干燥器内焓值不变，干燥过程热损失忽略不计；求：①在I-H图上画出空气状态变化过程；

②实际空气用量（初始状态下）；

③干燥器内应补充的热量；

④若空气在干燥器的后续设备中温度下降到20℃，试分析物料是否返潮？解：①

t0=25℃，H0=0.01

t1=70℃，H1=0.01

t2=45℃，H2②空气用量V’等焓线kg/h气体进入干燥器前状态：H1=H0=0.01（kJ/kg干空气）等焓过程：I2=I1=97（kJ/kg干空气）（kg水/kg干空气）H2

可根据等温线t2与等焓线I1=I2交点确定，也可根据公式计算干空气用量：kg干/h实际空气用量：kg/h③干燥器补充热量（kJ/kg.℃）干基含水量（kJ/h）（kW）即此时空气温度尚未达到气体的露点，不会返潮；

当t2=20℃时，水饱和蒸汽压

ps=2.335（kPa）

t2=45℃时，干燥器出口废气水汽分压

p2④分析物料的返潮情况t2=45℃时，水饱和蒸汽压ps=9.584（kPa）

（kPa）此时p2>ps，达到空气露点，物料可能返潮！

14.3.5干燥过程的热效率干燥器预热器空气废气干燥除去的水分从空气中获得的热量绝干物料升温从空气中获得的热量干燥系统热量衡算：干燥过程热效率：理想干燥过程热效率：

提高干燥过程热效率的措施①提高空气预热温度t1：注意不应损害物料质量②降低废气温度t2：注意产品返潮，t2-t0>20~50℃③废气热量的利用（循环）：确定混合气体状态P254课堂练习：２．在恒速干燥阶段中，当空气条件一定，对干燥速率正确的判断是：(

)

A干燥速率随物料种类不同而有极大的差异；

B干燥速率随物料种类不同而有较大的差异；

C各种不同物料的干燥速率实质上是相同的；

D不一定。１．恒定的干燥条件是指空气的

、

、

以及

都不变。

湿度温度速度与物料接触的状况C3．湿空气在预热过程中不变化的参数是(

)

A焓B相对湿度C露点温度D湿球温度C4．同一物料，如恒速段的干燥速率增加，则临界含水量:(

)。

A减小B不变C增大D不一定C5．同一物料，在一定的干燥速率下，物料愈厚，则临界含水量(

)。

A愈低B愈高C不变D不一定

B6．干燥介质(不饱和湿空气)经预热器后湿度

，温度

。当物料在恒定干燥条件下用空气进行恒速干燥时，物料的表面温度等于

温度。↑不变湿球7．若干燥器出口废气的温度

而湿度

可以提高热效率，但同时会降低干燥速率，这是因为

。↑↓传质推动力降低8．空气温度为t0，湿度为H0，相对湿度为φ0的湿空气，经预热器后，空气的温度为t1，湿度